Structure of thermolysin cleaved microcin J25: Extreme stability of a two-chain antimicrobial peptide devoid of covalent links

sThe structure of a two-chain peptide formed by the treatment of the potent antimicrobial peptide microcin J25 (MccJ25) with thermolysin has been characterized by NMR spectroscopy and mass spectrometry. The native peptide is 21 amino acids in size and has the remarkable structural feature of a ring formed by linkage of the side chain of Glu8 to the N-terminus that is threaded by the C-terminal tail of the peptide. Thermolysin cleaves the peptide at the Phe10-Val11 amide bond, but the threading of the C-terminus through the N-terminal ring is so tight that the resultant two chains remain associated both in the solution and in the gas phases. The three-dimensional structure of the thermolysin-cleaved peptide derived using NMR spectroscopy and simulated annealing calculations has a well-defined core that comprises the N-terminal ring and the threading C-terminal tail. In contrast to the well-defined core, the newly formed termini at residues Phe10 and Val11 are disordered in solution. The C-terminal tail is associated to the ring both by hydrogen bonds stabilizing a short beta-sheet and by hydrophobic interactions. Moreover, unthreading of the tail through the ring is prevented by the bulky side chains of Phe19 and Tyr20, which flank the octapeptide ring. This noncovalent two-peptide complex that has a remarkable stability in solution and in highly denaturing conditions and that survives in the gas phase is the first example of such a two-chain peptide lacking disulfide or interchain covalent bonds.

Altered fungal sensitivity to a plant antimicrobial peptide through over-expression of yeast cDNAs

A yeast cDNA expression library was screened to identify genes and cellular processes that influence fungal sensitivity to a plant antimicrobial peptide. A plasmid-based, GAL1 promoter-driven yeast cDNA expression library was introduced into a yeast genotype susceptible to the antimicrobial peptide MiAMP1 purified from Macadamia integrifolia. Following a screen of 20,000 cDNAs, three yeast cDNAs were identified that reproducibly provided transformants with galactose-dependent resistance to MiAMP1. These cDNAs encoded a protein of unknown function, a component (VMA11) of the vacuolar H+-ATPase and a component (cytochrome c oxidase subunit VIa) of the mitochondrial electron transport chain, respectively. To identify genes that increased sensitivity to MiAMP1, the yeast cDNA expression library was introduced into a yeast mutant with increased resistance to MiAMP1. From 11,000 cDNAs screened, two cDNA clones corresponding to a ser/thr kinase and a ser/thr phosphatase reproducibly increased MiAMP1 susceptibility in the mutant in a galactose-dependent manner. Deletion mutants were available for three of the five genes identified but showed no change in their sensitivity to MiAMP1, indicating that these genes could not be detected by screening of yeast deletion mutant libraries. Yeast cDNA expression library screening therefore provides an alternative approach to gene deletion libraries to identify genes that can influence the sensitivity of fungi to plant antimicrobial peptides.

The mode of action of the plant antimicrobial peptide MiAMP1 differs from that of its structural homologue, the yeast killer toxin WmKT

The plant antimicrobial peptide MiAMP1 from Macadamia integrifolia and the yeast killer toxin peptide WmKT from Williopsis mrakii are structural homologues. Comparative studies of yeast mutants were performed to test their sensitivity to these two antimicrobial peptides. No differences in susceptibility to MiAMP1 were detected between wild-type and several WmKT-resistant mutant yeast strains. A yeast mutant MT1, resistant to MiAMP1 but unaffected in its susceptibility to plant defensins and hydrogen peroxide, also did not show enhanced tolerance towards WmKT. It is therefore probable that the Greek key beta-barrel structure shared by MiAMP1 and WmKT provides a robust structural framework ensuring stability for the two proteins but that the specific action of the peptides depends on other motifs. (C) 2004 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Potentiating the Anticancer Properties of Bisphosphonates by Nanocomplexation with the Cationic Amphipathic Peptide, RALA

Bisphosphonates (BPs) are a class of bone resorptive drug with a high affinity for the hydroxyapatite structure of bone matrices that are used for the treatment of osteoporosis. However, clinical application is limited by a common toxicity, BP-related osteonecrosis of the jaw. There is emerging evidence that BPs possess anticancer potential, but exploitation of these antiproliferative properties is limited by their toxicities. We previously reported the utility of a cationic amphipathic fusogenic peptide, RALA, to traffic anionic nucleic acids into various cell types in the form of cationic nanoparticles. We hypothesized that complexation with RALA could similarly be used to conceal a BP's hydroxyapatite affinity, and to enhance bioavailability, thereby improving anticancer efficacy. Incubation of RALA with alendronate, etidronate, risedronate, or zoledronate provoked spontaneous electrostatic formation of cationic nanoparticles that did not exceed 100 nm in diameter and that were stable over a range of temperatures and for up to 6 h. The nanoparticles demonstrated a pH responsiveness, possibly indicative of a conformational change, that could facilitate release of the BP cargo in the endosomal environment. RALA/BP nanoparticles were more potent anticancer agents than their free BP counterparts in assays investigating the viability of PC3 prostate cancer and MDA-MB-231 breast cancer cells. Moreover, RALA complexation potentiated the tumor growth delay activity of alendronate in a PC3 xenograft model of prostate cancer. Taken together, these findings further validate the use of BPs as repurposed anticancer agents.

Coarse Graining to Invesitigate Peptide-Lipid Interactions

Experimental characterization of molecular details is challenging, and although single molecule experiments have gained prominence, oligomer characterization remains largely unexplored. The ability to monitor the time evolution of individual molecules while they self assemble is essential in providing mechanistic insights about biological events. Molecular dynamics (MD) simulations can fill the gap in knowledge between single molecule experiments and ensemble studies like NMR, and are increasingly used to gain a better understanding of microscopic properties. Coarse-grained (CG) models aid in both exploring longer length and time scale molecular phenomena, and narrowing down the key interactions responsible for significant system characteristics. Over the past decade, CG techniques have made a significant impact in understanding physicochemical processes. However, the realm of peptide-lipid interfacial interactions, primarily binding, partitioning and folding of amphipathic peptides, remains largely unexplored compared to peptide folding in solution. The main drawback of existing CG models is the inability to capture environmentally sensitive changes in dipolar interactions, which are indigenous to protein folding, and lipid dynamics. We have used the Drude oscillator approach to incorporate structural polarization and dipolar interactions in CG beads to develop a minimalistic peptide model, WEPPROM (Water Explicit Polarizable PROtein Model), and a lipid model WEPMEM (Water Explicit Polarizable MEmbrane Model). The addition of backbone dipolar interactions in a CG model for peptides enabled us to achieve alpha-beta secondary structure content de novo, without any added bias. As a prelude to studying amphipathic peptide-lipid membrane interactions, the balance between hydrophobicity and backbone dipolar interactions in driving ordered peptide aggregation in water and at a hydrophobic-hydrophilic interface, was explored. We found that backbone dipole interactions play a crucial role in driving ordered peptide aggregation, both in water and at hydrophobic-hydrophilic interfaces; while hydrophobicity is more relevant for aggregation in water. A zwitterionic (POPC: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) and an anionic lipid (POPS: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine) are used as model lipids for WEPMEM. The addition of head group dipolar interactions in lipids significantly improved structural, dynamic and dielectric properties of the model bilayer. Using WEPMEM and WEPPROM, we studied membrane-induced peptide folding of a cationic antimicrobial peptide with anticancer activity, SVS-1. We found that membrane-induced peptide folding is driven by both (a) cooperativity in peptide self interaction and (b) cooperativity in membrane-peptide interactions. The dipolar interactions between the peptide and the lipid head-groups contribute to stabilizing folded conformations. The role of monovalent ion size and peptide concentration in driving lipid domain formation in anionic/zwitterionic lipid mixtures was also investigated. Our study suggest monovalent ion size to be a crucial determinant of interaction with lipid head groups, and hence domain formation in lipid mixtures. This study reinforces the role of dipole interactions in protein folding, lipid membrane properties, membrane induced peptide folding and lipid domain formation. Therefore, the models developed in this thesis can be used to explore a multitude of biomolecular processes, both at longer time-scales and larger system sizes.

Understanding the adsorption of salmon calcitonin, antimicrobial peptide AP114 and polymyxin B onto lipid nanocapsules

International audience

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Tetrahydrofuran amino acid-containing gramicidin S analogues with improved biological profiles

Gramicidin S (GS) is a cyclic cationic antimicrobial peptide (CAP) with a wide spectrum of antibiotic activities whose usage has been limited to topical applications owing to its cytotoxic side effects. We have synthesized tetrahydrofuran amino acid (Taa)-containing GS analogues, and we have carried out conformational analysis and explored their structure activity relationships by evaluating their antitubercular, antibacterial and cytotoxic properties. Two of these analogues showed impressive as well as selective activity against Mycobacterium tuberculosis (MTB) without toxicity towards mammalian Vero cells or human RBCs, and are promising as potential leads.

Identification of a novel cathelicidin gene in the rainbow trout, Oncorhynchus mykiss

We report the cloning of a novel antimicrobial peptide gene, termed rtCATH_1, found in the rainbow trout, Oncorhynchus mykiss. The predicted 216-residue rtCATH_1 prepropeptide consists of three domains: a 22-residue signal peptide, a 128-residue cathelin-like region containing two identifiable cathelicidin family signatures, and a predicted 66-residue C-terminal cationic antimicrobial peptide. This predicted mature peptide was unique in possessing features of different known (mammalian) cathelicidin subgroups, such as the cysteine-bridged family and the specific amino-acid-rich family. The rtCATH_1 gene comprises four exons, as seen in all known mammalian cathelicidin genes, and several transcription factor binding sites known to be of relevance to host defenses were identified in the 5' flanking region. By Northern blot analysis, the expression of rtCATH_1 was detected in gill, head kidney, and spleen of bacterially challenged fish. Primary cultures of head kidney leukocytes from rainbow trout stimulated with lipopolysaccharide or poly(I (.) C) also expressed riCATH_1. A 36-residue peptide corresponding to the core part of the fish cathelicidin was chemically synthesized and shown to exhibit potent antimicrobial activity and a low hemolytic effect. Thus, rtCATH_1 represents a novel antimicrobial peptide gene belonging to the cathelicidin family and may play an important role in the innate immunity of rainbow trout.

Elucidation of the RamA Regulon in Klebsiella pneumoniae Reveals a Role in LPS Regulation

Klebsiella pneumoniae is a significant human pathogen, in part due to high rates of multidrug resistance. RamA is an intrinsic regulator in K. pneumoniae established to be important for the bacterial response to antimicrobial challenge; however, little is known about its possible wider regulatory role in this organism during infection. In this work, we demonstrate that RamA is a global transcriptional regulator that significantly perturbs the transcriptional landscape of K. pneumoniae, resulting in altered microbe-drug or microbe-host response. This is largely due to the direct regulation of 68 genes associated with a myriad of cellular functions. Importantly, RamA directly binds and activates the lpxC, lpxL-2 and lpxO genes associated with lipid A biosynthesis, thus resulting in modifications within the lipid A moiety of the lipopolysaccharide. RamA-mediated alterations decrease susceptibility to colistin E, polymyxin B and human cationic antimicrobial peptide LL-37. Increased RamA levels reduce K. pneumoniae adhesion and uptake into macrophages, which is supported by in vivo infection studies, that demonstrate increased systemic dissemination of ramA overexpressing K. pneumoniae. These data establish that RamA-mediated regulation directly perturbs microbial surface properties, including lipid A biosynthesis, which facilitate evasion from the innate host response. This highlights RamA as a global regulator that confers pathoadaptive phenotypes with implications for our understanding of the pathogenesis of Enterobacter, Salmonella and Citrobacter spp. that express orthologous RamA proteins.